关于局部冻结工程中保温效果的研究

韩玉福

北京中煤矿山工程有限公司 北京 100013

引言

目前人工冻结法在市政施工领域有着广泛的应用，但是随着地下工程复杂程度的增加，对于冻结法应用更加广泛。因此对于冻结法中能量供应，温度保持等问题的研究也更为必要。本文针对广州市轨道交通三号线北延段机场南站～机场北站区间工程冻结管局部冻结进行研究，通过数值仿真计算的方式，研究了局部冻结施工中的冻结管保温方式。以期为工程实践提供合适的使用方案。

1 工程概况

广州市轨道交通三号线北延段机场南站～机场北站区间因地块业主（广东省机场管理集团有限公司）意见及周边环境地质情况，拟定YDK29+818.697～ZDK30+026.500约207.802米采用暗挖进行施工。局部曲线段拟采用冻结法加固，矿山法暗挖施工。根据设计冻结加固区域长度110m左右。冻结暗挖段为马蹄形结构，拟筑结构净高8120mm，净宽11900mm，结构厚600mm，采用二次支护，一次支护厚度为350mm。开挖断面净高8820mm，净宽12600mm。受施工工艺及现场情况影响，最终决定采用垂直冻结方案进行加固[1]。

2 模型建立

利用COMSOL多物理场软件建立计算区域，由于本次计算为单管保温计算，因此计算中采用二维轴对称模型，建立1×0.5m矩形模型，左侧边界作为冻结管外边界，并依此向内设置20mm保温层、保温层外边界及土体区域。计算中计划模拟不同材质的保温外边界，因此将外边界设置为4mm厚薄膜层。上下两处设置为5cm厚无限元，比例为1:1e3，以减少上下区域的边界效应[2]。除冻结区域外其他区域设置为热绝缘区域，并划分网格如图1。

图1 计算网格划分及模型尺寸

3 参数选取

本工程计算主要包括两部分材质，分别为保温板及土体区域，其中保温板导热系数取0.03W/(M·K)，比热容取560J/(kg·K)。根据现场剖面观测，假设保温板材的孔隙率为0.3，均匀微分。构建均布函数rn1(r,z)来进行区域模拟相关区域。并引入至计算中。土体参数如表1所示。

表1 计算参数选取

4 无地下水影响下保温计算

施工区域的地层相对含水量较高，为了保证保温区域不受土体内水分的入侵，在保温外侧布置不锈钢钢板进行保护，并进行计算。经计算，积极冻结15d后，保温管外壁温度为7.05℃，冻结管周围无冻土。达到预期设计值。通过位于保温板外侧测点观测可以发现，积极冻结初期外表面温度迅速下降，随后随着温度梯度的降低，呈迅速减缓区域。

图2 保温板外边界温度变化曲线

从图中分析可以发现，在盐水温度为-28℃情况下，巨大的温度梯度加速了保温板的温度传递，并在0.5d时间内使得保温板迅速温度下降，而一旦温度梯度呈现小幅度下降趋势，则保温板外侧温度变换放缓，呈线性下降趋势。且15天内保温板外侧仍保持正温，根据计算当时间延长至45.5天后保温板外侧温度降至0℃，而一旦温度降至0℃后，外侧土体锋面将会出现一个迅速下降过程。而目前市政工程中大部分积极冻结时间为35～50天，因此可以认为保温后可有效实现降低能耗[3]。

图3 保温板外侧0.3m位置径向热通量

5 受地下水影响后保温计算

由于加固区域地下水系发达，因此该区域施工中如对于保温板不能有效防水，短时间内保温板将迅速充满水分，并最终影响保温效果，为了研究水分饱和后的保温板保温效率，将保温板孔隙按rh1函数进行分布，并假定充满水分，因此其导热系数分布如下图所示。经过计算可以发现，当保温板被水分迅速浸泡后，几乎难以起到保温效果，保温板迅速降温，将温度梯度拉平，并最终使得土体发生迅速降温。

图4 含水后保温材料导热系数等值线图

图5 含水分保温板工况下冻结15d温度云图

根据上述两次计算结果对比可以发现，地下工程中土体内保温板易收到外部地下水流影响，一旦水分充满保温板内，将会极大影响保温板的导热系数以及恒压热熔，最终使得保温板失效，因此对于保温材料防水尤其需要重视。根据工况条件，本工程最后确认了采用19mm厚保温板材+φ133×3mmPVC管进行管路保温的方案，根据后期工程实际测温数据，最终发现保温后整体效果良好，外侧冻结壁扩展主要为竖向温度梯度造成。从图中更可以看到，深度-4m以上温度变化较小，且最终有效保持在为冻土状态。

图6 实测T3测温孔温度变化曲线

6 结束语

（1）富水土层内冻结管局部保温中需严格保证防水效果，避免因水分迁移造成保温失效。

（2）在严格控制水分迁移的情况下，采用保温板进行局部冻结是可行的，根据计算，采用常规0.3W/(m·K)保温板状况下的富水土层，20mm保温板可以达到-28℃盐水循环30d外侧仍可为正温的效果。

[1]张松,徐兵壮,周兴旺.地铁隧道联络通道薄弱环节冻结孔布孔方式[J].城市轨道交通研究,2012,15(3):94-96,99.

[2]张松.联络通道冻结法施工开挖阶段侧墙温度场研究[J].建井技术,2012,(6):39-41.

[3]赵宏威.盐水冻结法在盾构出洞土体加固中的应用[J].城市轨道交通研究,2010,(5):85-88.